KR100752344B1 - Pixel layout for cmos image sensor - Google Patents

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Abstract

광학적으로 최적화된 정사각형 이미지 센싱 영역을 포함한 포토다이오드를 갖는 새로운 CMOS 이미지 단위 픽셀 레이아웃에 대해 기재되어 있다. 상기 정사각형 이미지 센싱 레이아웃은 픽셀 어레이의 인접 픽셀 간에 감소된 전기 및 컬러 크로스토크, 및 증가된 MTF(modulation transfer function)를 제공한다.
A new CMOS image unit pixel layout with a photodiode including an optically optimized square image sensing area is described. The square image sensing layout provides reduced electrical and color crosstalk between adjacent pixels of the pixel array, and increased modulation transfer function (MTF).

CMOS, 이미지 센서, 센싱, 픽셀, 레이아웃, 크로스토크, MTFCMOS, image sensor, sensing, pixels, layout, crosstalk, MTF

Description

ＣＭＯＳ 이미지 센서를 위한 픽셀 레이아웃{PIXEL LAYOUT FOR CMOS IMAGE SENSOR} Pixel layout for CMOS image sensor {PIXEL LAYOUT FOR CMOS IMAGE SENSOR}             

도1은 통상의 CMOS 이미지 센서에 대한 단위 픽셀의 레이아웃 도면.1 is a layout diagram of unit pixels for a conventional CMOS image sensor.

도2는 이미지 센싱 영역 위에 반원통형 마이크로렌즈를 채택한 픽셀의 부분적인 어레이의 평면도.2 is a plan view of a partial array of pixels employing a semi-cylindrical microlens above the image sensing area;

도3은 본 발명에 따른 CMOS 이미지 센서에 대한 단위 픽셀의 레이아웃 도면.3 is a layout diagram of unit pixels for a CMOS image sensor according to the present invention;

도4는 본 발명에 따라 정사각형 이미지 센싱 영역 위에 반구형 마이크로렌즈를 채택한 픽셀의 부분적인 어레이의 단면도.4 is a cross-sectional view of a partial array of pixels employing hemispherical microlenses over a square image sensing area in accordance with the present invention.

도5는 본 발명에 따른 도3의 단위 픽셀의 구조도.
5 is a structural diagram of a unit pixel of FIG. 3 according to the present invention;

본 발명은 일반적으로 이미지 센싱 기술에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 특별하게 정합된 마이크로렌즈를 이용하는 새로운 레이아웃을 가진 CMOS 이미지 센서에 관한 것이다. The present invention generally relates to image sensing techniques. In particular, the present invention relates to a CMOS image sensor with a novel layout using specially matched microlenses.                         

전통적으로, 이미징 기술은 CCD(charge coupled device) 이미지 센서 주변에 집중되어 있었다. 그러나, 최근에는 CMOS 이미징 기술이 점차 대안적 기술이 되고 있다. 이러한 진행에는 많은 원인이 존재한다. 첫째, CCD 이미저(imager)는 오직 CCD의 제조에만 전용되는 특별한 설비를 필요로 한다. 둘째, CCD 이미저는 본질적으로, 허용 가능한 전하 전달 효율을 달성하기 위하여, 외부 제어 신호 및 큰 클럭 스윙을 필요로 하는 용량성 장치(capacitive device)이기 때문에, 상당한 전력량이 소모된다. 셋째, CCD 이미저는, 장치를 동작시키고, 이미지 신호를 조정하고, 다음의 처리를 수행하며, 표준 비디오 출력을 생성하기 위한 각각의 지원 칩을 필요로 한다. 부가적인 지원 회로를 필요로 하는 것은 CCD 시스템을 복잡하게 만든다. 마지막으로, CCD 시스템은, 디자인을 보다 복잡하게 만들뿐만 아니라 부가적인 상당한 전력량의 소모가 요구되는 많은 전원, 클럭 구동기 및 전압 조정기(regulator)를 필요로 한다.Traditionally, imaging techniques have been concentrated around charge coupled device (CCD) image sensors. However, in recent years, CMOS imaging technology has gradually become an alternative technology. There are many reasons for this progression. First, CCD imagers require special equipment dedicated only to the manufacture of CCDs. Second, because CCD imagers are inherently capacitive devices that require external control signals and large clock swings to achieve acceptable charge transfer efficiency, significant amounts of power are consumed. Third, the CCD imager requires each support chip to operate the device, adjust the image signal, perform the following processing, and generate a standard video output. The need for additional support circuitry complicates the CCD system. Finally, CCD systems require many power supplies, clock drivers and voltage regulators that not only make the design more complex but also require additional significant power consumption.

반면에, CMOS 이미저는 덜 복잡한 디자인이 특징이다. 보다 간단한 구조는 처리 및 제품 비용에서의 감소, 및 부수적이고 실질적인 전력 소모에서의 감소를 가져온다. 오늘날의 서브-마이크론(sub-micron) CMOS 제조 공정에 의해, CMOS 이미저는 또한 고 집적화 되고 있다. 예를 들어, 디지털 카메라와 같이 전부 CMOS-기반인 이미징 시스템은 단일 반도체 칩 상에서 제조될 수 있다. 또한, CCD와는 달리, CMOS 이미저는 표준 CMOS 제조 설비에서 제조가 수월하다. 이 적응능력은 플랜트 오버헤드(plant overhead) 비용을 상당히 감소시킨다. 이러한 이유로, CMOS 이미저는 매우 빠르게 대안적 이미저가 되고 있다. CMOS imagers, on the other hand, feature less complex designs. Simpler structures result in reductions in processing and product costs, and in incidental and substantial power consumption. With today's sub-micron CMOS fabrication processes, CMOS imagers are also becoming highly integrated. For example, an entirely CMOS-based imaging system such as a digital camera can be fabricated on a single semiconductor chip. In addition, unlike CCDs, CMOS imagers are easy to manufacture in standard CMOS manufacturing facilities. This adaptability significantly reduces the cost of plant overhead. For this reason, CMOS imagers are quickly becoming alternative imagers.                         

이미지 센서는 픽처 요소 또는 "픽셀(pixels)" 어레이로 구성된다. 예시적인 CMOS 단위 픽셀(10)을 위한 레이아웃이 도1에 도시되어 있다. 단위 픽셀(10)은 직사각형의 이미지 센싱 영역(100), 전달 트랜지스터(102), 플로팅 노드(104), 리셋 트랜지스터(106), 구동 트랜지스터(108), 선택 트랜지스터(110) 및 출력 노드(1102)로 구성된다. 단위 픽셀(10)은 전원 전압 VDD(114)로 전력 공급된다. 이미지 센싱 영역(100)은 "필 팩터(fill factor)"를 최소화하도록 직사각형을 만드는데, 이것은 단위 픽셀(10)에서 이미지 센싱 영역(100)이 차지하는 비율로 정의된다. 도1과 같은 배열을 위한 통상적인 필 팩터는 약 30% 이다.An image sensor consists of an array of picture elements or "pixels". A layout for an exemplary CMOS unit pixel 10 is shown in FIG. The unit pixel 10 includes a rectangular image sensing region 100, a transfer transistor 102, a floating node 104, a reset transistor 106, a driving transistor 108, a selection transistor 110, and an output node 1102. It consists of. The unit pixel 10 is powered by the power supply voltage VDD 114. The image sensing area 100 creates a rectangle to minimize the "fill factor", which is defined as the ratio of the image sensing area 100 to the unit pixel 10. A typical fill factor for the arrangement as in Figure 1 is about 30%.

이제 도2를 참조하면, 종래 CMOS 이미지 센서 장치에 따른 픽셀의 부분적인 어레이(20)의 평면도가 도시되어 있다. 이미지 센싱 영역(200) 위에 반원통형(hemicylindrically-shaped)의 마이크로렌즈(203)가 위치함으로써, 마이크로렌즈(203)에 의해 입사광(204)이 보다 더 직사각형 이미지 센싱 영역(200)의 중심 쪽으로 집속됨에 따라, 도1의 레이아웃에 대한 유효 필 팩터가 개선될 수 있다. 물론, 각 단위 픽셀(20)에서 각 이미지 센싱 영역(200)이 차지하는 비율은 마이크로렌즈(203)의 사용에 의해 변화하지는 않는다. 그럼에도 불구하고, 광 포착(light capture)이 개선되고, 유효 필 팩터가 증가된다. 반원통형 마이크로렌즈(203)의 사용은 유효 필 팩터를 약 75%로 증가시킬 수 있다. Referring now to FIG. 2, a plan view of a partial array 20 of pixels in accordance with a conventional CMOS image sensor device is shown. A hemislindrically-shaped microlens 203 is positioned above the image sensing area 200, whereby the incident light 204 is focused toward the center of the rectangular image sensing area 200 by the microlens 203. Accordingly, the effective fill factor for the layout of FIG. 1 can be improved. Of course, the ratio of each image sensing region 200 in each unit pixel 20 is not changed by the use of the microlens 203. Nevertheless, light capture is improved and the effective fill factor is increased. The use of semi-cylindrical microlenses 203 can increase the effective fill factor to about 75%.

반원통형 마이크로렌즈를 이용한 필 팩터의 개선에도 불구하고, 직사각형 이미지 센싱 영역 및 반원통형 마이크로렌즈의 사용에 따르는 부정적인 성능 요인이 존재한다. Despite the improvement of the fill factor using semi-cylindrical microlenses, there are negative performance factors associated with the use of rectangular image sensing areas and semi-cylindrical microlenses.                         

먼저, 도2를 참조하면, 반원통형 마이크로렌즈(2023)의 사용은 렌즈(203)의 중심축(중심축은 x-방향)에 대해 직각으로 도달하는 입사각(204)을 조사(directing)할 때 효과적인데 반하여, 그 반원통형 마이크로렌즈(203)의 중심축에 대하여 직각이 아닌, 즉, 빗각으로 도달하는 입사광(204)을 집속할 때에는 매우 효과적이지 않다. 또한, 이러한 비효율성은 분산 및/또는 반사되어 결국 빗각으로 렌즈(203)에 도달하는 빛에서도 포함된다.First, referring to FIG. 2, the use of the semi-cylindrical microlens 2023 is effective when directing the incident angle 204 reaching at right angles with respect to the center axis (center axis of the x-direction) of the lens 203. On the other hand, it is not very effective when focusing the incident light 204 arriving at an oblique angle that is not perpendicular to the central axis of the semi-cylindrical microlens 203. This inefficiency is also included in light that is scattered and / or reflected and eventually reaches the lens 203 at an oblique angle.

이미지 센싱 영역(200)의 중심 쪽으로 입사광을 집속하는 반원통형 마이크로렌즈(203)의 비효율성은 인접 직사각형의 이미지 센싱 영역들이 x-방향으로 가까이 근접해 있다는 사실로 인해 문제가 된다. 도2를 보면, 이 경우는 인접 픽셀간의 수평 간격은 약 0.8 ㎛인 것으로 보인다. 이러한 가까운 근접은 포토다이오드 공핍 영역 외부에 생성되는 광전하(photocharge)의 임의의 확산(random diffusion)을 초래한다. 특정 픽셀의 공핍 영역 외부에서 생성되는 광전하는 인접 픽셀에 의해 포착되는 경향이 있다. 광전하가 인접 픽셀에 의해 원치않게 포착된 경우, 전기적 크로스토크(crosstalk)가 발생하여 이미지의 선명도(sharpness)에서의 감소를 초래한다.The inefficiency of the semi-cylindrical microlens 203 focusing the incident light toward the center of the image sensing area 200 is problematic due to the fact that adjacent rectangular image sensing areas are in close proximity in the x-direction. Referring to Fig. 2, in this case, the horizontal spacing between adjacent pixels appears to be about 0.8 mu m. This close proximity results in random diffusion of photocharge generated outside the photodiode depletion region. Photoelectric charges generated outside the depletion region of a particular pixel tend to be captured by adjacent pixels. If the photocharge is undesiredly captured by adjacent pixels, electrical crosstalk occurs, resulting in a reduction in the sharpness of the image.

인접한 직사각형 이미지 센싱 영역(200)의 가까운 근접으로 인한 다른 타입의 크로스토크가 존재한다. 이 제2 타입의 크로스토크는 상이한 컬러 픽셀 간에 발생하며, 이 분야에서는 "컬러 크로스토크"라 부른다. 컬러 크로스토크는 컬러 왜곡을 가져오고, 실리콘-기반의 포토다이오드가 파장에 의존하는 광자 흡수 응답을 갖는다는 사실에 의해 야기된다. 특히, 컬러 왜곡은 RGB 베이어(Bayer) 패턴 컬러 필 터와 함께 직사각형 이미지 센싱 영역을 사용하는 이미지 어레이에 대해 중요하다. 실제로, 동일한 조명 아래에서, 직사각형의 이미지 센싱 영역이 사용될 때, GR(적(red) 픽셀에 인접한 녹(green) 픽셀) 및 GB(청(blue) 픽셀에 인접한 녹 픽셀)에 응답하여 10%의 주문에 대한 차(difference)가 관측된다. 녹 픽셀 응답성(responsivity)에서의 이 차는 컬러 왜곡을 초래한다.There are other types of crosstalk due to the close proximity of adjacent rectangular image sensing regions 200. This second type of crosstalk occurs between different color pixels and is called "color crosstalk" in this field. Color crosstalk results in color distortion and is caused by the fact that silicon-based photodiodes have a photon absorption response that is wavelength dependent. In particular, color distortion is important for image arrays that use rectangular image sensing areas with RGB Bayer pattern color filters. In fact, under the same illumination, when a rectangular image sensing area is used, 10% in response to GR (green pixels adjacent to red pixels) and GB (green pixels adjacent to blue pixels) Differences to orders are observed. This difference in green pixel response results in color distortion.

마지막으로, 인접한 이미지 센싱 영역이 너무 가까이에 위치되어 있는 경우에 관측되는 또다른 문제점은 공간적 해상도에서의 감소이다. 이미징 시스템에서, 해상도는 MTF(modulation transfer function)로 정해진다. 보다 낮은 MTF 일수록, 이미징 장치가 이미징될 객체에서 양질의 디테일(detail) 및 콘트라스트(contrast)를 취득할 때의 능력이 덜해진다.Finally, another problem observed when adjacent image sensing areas are located too close is a reduction in spatial resolution. In an imaging system, the resolution is determined by a modulation transfer function (MTF). The lower the MTF, the less the imaging device has the ability to obtain good detail and contrast in the object to be imaged.

직사각형 이미지 센싱 영역(200) 및 반원통형 마이크로렌즈(203) 사용에 관련된 상기 문제점들은 1999년 IEEE Workshop, Charge-Coupled Device and Advanced Image Sensors, June 10-12, 1999에 제시된 논문, "An Improved Digital CMOS Imager"에 더 논의되어 있다. 이 논문은 여기서 참조로 포함된다.The problems associated with the use of rectangular image sensing area 200 and semi-cylindrical microlens 203 are described in the 1999 IEEE Workshop, Charge-Coupled Device and Advanced Image Sensors, June 10-12, 1999, "An Improved Digital CMOS It is discussed further in "Imager". This paper is incorporated herein by reference.

현재 사용 가능한 CMOS 이미저에 관련된 상기의 결함에 따라, 낮은 전기적 및 광학적 픽셀-대-픽셀 크로스토크, 높은 유효 필 팩터, 및 높은 MTF가 특징인 새로운 CMOS 이미저가 요구된다. 본 발명은 특별하게 정합된 마이크로렌즈를 이용하는 새로운 단위 픽셀 레이아웃을 가진 CMOS 이미저를 제공함으로써 이 필요성을 충족시킨다.The above deficiencies related to currently available CMOS imagers require new CMOS imagers characterized by low electrical and optical pixel-to-pixel crosstalk, high effective fill factor, and high MTF. The present invention fulfills this need by providing a CMOS imager with a new unit pixel layout utilizing specially matched microlenses.

본 발명의 제1 양태에서는, CMOS 이미저에서 사용되는 CMOS 픽셀이 제공되고, 이것은 정사각형 이미지 센싱 영역, CMOS 픽셀의 출력으로 광 생성 전하를 전달하기 위한 전달 트랜지스터, 이 광생성 및 수집 프로세스를 개시하기 위한 리셋 트랜지스터, 및 전달된 전하를 픽셀 출력으로 전달시키기 위한 소스 폴로어를 포함한다.In a first aspect of the invention, a CMOS pixel for use in a CMOS imager is provided, which is a square image sensing area, a transfer transistor for transferring photogenerated charges to an output of a CMOS pixel, and initiating this photogeneration and collection process. A reset transistor, and a source follower for transferring the delivered charge to the pixel output.

정사각형 이미지 센싱 영역의 사용은 인접 픽셀의 이미지 센싱 영역 간의 거리를 증가시킨다. 이것은 전기적 크로스토크 및 컬러 크로스토크에서의 감소를 가져오고, MTF를 개선시킨다.The use of a square image sensing area increases the distance between the image sensing areas of adjacent pixels. This results in a reduction in electrical crosstalk and color crosstalk and improves MTF.

본 발명의 제2 양태에서는, 각 픽셀의 유효 필 팩터를 증가시키기 위해, 반구형의 마이크로렌즈가 각 CMOS 픽셀의 이미지 센싱 영역 위해 배치된다.In a second aspect of the invention, to increase the effective fill factor of each pixel, hemispherical microlenses are placed for the image sensing area of each CMOS pixel.

본 발명의 일실시예에서, CMOS 픽셀 어레이가 제공되는데, 각 픽셀은, 인접 픽셀의 이미지 센싱 영역 간의 거리를 최적화하여 인접 픽셀 간의 크로스토크를 감소시키기 위해, 정사각형 이미지 센싱 영역을 포함한다.In one embodiment of the present invention, a CMOS pixel array is provided, each pixel comprising a square image sensing region to optimize the distance between image sensing regions of adjacent pixels to reduce crosstalk between adjacent pixels.

본 발명의 다른 실시예에서, CMOS 이미저에서 사용하기 위한 CMOS 픽셀은 포토다이오드의 음극에 연결된 드레인, 제어 신호 Tx 에 의해 제어되는 게이트, 및 플로팅 센싱 노드에 연결된 소스를 갖는 전달 트랜지스터, 리셋 전위에 연결된 드레인, 제어 신호 Rx 에 의해 제어되는 게이트, 및 상기 플로팅 센싱 노드에 연결된 소스를 갖는 리셋 트랜지스터, 및 상기 단위 픽셀의 플로팅 노드와 출력 노드 사이에 연결되고, 선택 신호에 의해 제어되는 소스 폴로어를 포함한다. In another embodiment of the invention, a CMOS pixel for use in a CMOS imager includes a transfer transistor having a drain connected to the cathode of the photodiode, a gate controlled by the control signal Tx, and a source connected to the floating sensing node, a reset potential. A reset transistor having a connected drain, a gate controlled by a control signal Rx, and a source connected to the floating sensing node, and a source follower connected between a floating node and an output node of the unit pixel and controlled by a selection signal. Include.                         

본 발명의 속성 및 장점의 보다 나은 이해는 이하의 상세한 설명과 도면, 및 첨부된 청구항을 참조하여 얻어질 수 있다.
A better understanding of the nature and advantages of the present invention can be obtained with reference to the following detailed description and drawings, and the appended claims.

도3을 참조하면, 본 발명에 따른 CMOS 이미지 센서에 대한 단위 유닛(30)의 특정 실시예의 레이아웃이 도시되어 있다. 단위 픽셀(30)은 정사각형 이미지 센싱 영역(300), 전달 트랜지스터(302), 플로팅 노드(304), 리셋 트랜지스터(306), 구동 트랜지스터(308), 선택 트랜지스터(310) 및 출력 노드(312)로 구성된다.Referring to Figure 3, a layout of a particular embodiment of the unit unit 30 for a CMOS image sensor in accordance with the present invention is shown. The unit pixel 30 is connected to the square image sensing region 300, the transfer transistor 302, the floating node 304, the reset transistor 306, the driving transistor 308, the selection transistor 310, and the output node 312. It is composed.

도1에서의 CMOS 이미지 센서에 대한 단위 픽셀(10)의 직사각형 이미지 센싱 영역(100)과는 달리, 도3의 본 발명에서의 이미지 센싱 영역(300)은 정사각형이다. 그리고, 도4의 예시적 실시예에서 도시된 바와 같이, 단위 픽셀(30)의 어레이(40)에 대한 이미지 센싱 영역은, 예를 들면 약 8 ×8 ㎛2의 면적을 가진다. 인접한 이미지 센싱 영역(400) 간의 간격은, 예를 들면, 도2의 직사각형 이미지 센싱 영역(200)을 이용한 인접 픽셀 간의 간격에 비해 약 3.2 ㎛의 간격만큼 증가한 약 4 ㎛ 이다. 이미지 센싱 영역(400)의 면적과 인접 이미지 센싱 영역(400) 간의 치수는 요구된 필 팩터, 요구된 크로스토크 감소도 및 MTF 증가도를 달성하도록 조정된다. 이에 따라, 도4의 실시예에 제공된 치수는 예시적으로 도시된 것이며, 절대적으로 한정하는 것은 아니다.Unlike the rectangular image sensing region 100 of the unit pixel 10 for the CMOS image sensor in FIG. 1, the image sensing region 300 in the present invention of FIG. 3 is square. And, as shown in the exemplary embodiment of FIG. 4, the image sensing area for the array 40 of unit pixels 30 has an area of about 8 × 8 μm 2, for example. The spacing between adjacent image sensing regions 400 is, for example, about 4 μm, increased by about 3.2 μm compared to the spacing between adjacent pixels using the rectangular image sensing area 200 of FIG. 2. The dimension between the area of the image sensing area 400 and the adjacent image sensing area 400 is adjusted to achieve the required fill factor, the required crosstalk reduction, and the MTF increase. Accordingly, the dimensions provided in the embodiment of FIG. 4 are shown by way of example and not by way of limitation.

공통의 픽셀 면적이라 가정하면, 본 발명의 정사각형 이미지 센싱 영역(300)은, 도1의 직사각형 이미지 센싱 영역(100)에 비해, 감소된 필 팩터로 특징된다. 그럼에도 불구하고, 직사각형 이미지 센싱 영역(도2와 도4 비교)의 간격에 비해, 인접한 정사각형 이미지 센싱 영역(300) 간의 보다 큰 간격이 x-방향에서 얻어질 수 있기 때문에, 그 감소된 필 팩터는 허용 가능하다. 이에 따라, 정사각형 인미지 센싱 영역(300)의 사용은 인접 픽셀 간의 감소된 크로스토크, 및 보다 높은 MTF 이미지 센싱 어레이(40)를 가져온다.Assuming a common pixel area, the square image sensing area 300 of the present invention is characterized by a reduced fill factor compared to the rectangular image sensing area 100 of FIG. Nevertheless, compared to the spacing of the rectangular image sensing region (compare FIG. 2 and FIG. 4), since the larger spacing between adjacent square image sensing regions 300 can be obtained in the x-direction, the reduced fill factor is It is acceptable. Accordingly, use of the square image sensing area 300 results in reduced crosstalk between adjacent pixels, and higher MTF image sensing array 40.

또한, 도4에 도시된 바와 같이, 단위 픽셀(30)의 유효 픽 팩터는 정사각형 이미지 센싱 영역(400) 위에 반구형 렌즈(402)를 배치함으로써 개선될 수 있다. 반구형 마이크로렌즈(402)의 하나의 부가적인 장점은, 도2에 도시된 실시예에서 사용된 반원통형 렌즈와 같은 기 형태의 렌즈에 비해, 반구형 마이크로렌즈(402)를 제조하는 것이 상대적으로 쉽다는 것에 있다. 반구형 마이크로렌즈에 비해, 기 형태의 렌즈는 종종 제조 결함을 가지거나 좋지않은 광학 능력을 나타낸다.In addition, as shown in FIG. 4, the effective pick factor of the unit pixel 30 may be improved by placing the hemispherical lens 402 over the square image sensing area 400. One additional advantage of the hemispherical microlens 402 is that it is relatively easy to manufacture the hemispherical microlens 402 compared to a conventional lens such as the semicylindrical lens used in the embodiment shown in FIG. Is in. Compared to hemispherical microlenses, the prismatic lenses often have manufacturing defects or exhibit poor optical capabilities.

이제 도5를 참조하면, 본 발명에 따른, 도3의 단위 픽셀(30)과 동등한 회로 구조가 도시되어 있다. 편의를 위해 도3의 소자와 같은 동일한 참조부호가 단위 픽셀(30)의 동등한 회로 구조의 동작 특성을 기술하는데 사용될 것이다. Referring now to FIG. 5, there is shown a circuit structure equivalent to the unit pixel 30 of FIG. 3, in accordance with the present invention. For convenience, the same reference numerals as the elements of FIG. 3 will be used to describe the operating characteristics of the equivalent circuit structure of the unit pixel 30.

적절한 픽셀 동작을 위해 Tx, Rx 및 Sx의 3개의 개별 제어 신호가 필요하다. 이들 제어 신호는 Woodward Yang, el al의 "An Integrated 800 X 600 CMOS Imaging System", ISSCC Dig.Tech, 논문, 1999, pp.304-305에 더 기술되어 있으며, 이것은 여기서 참조로 포함된다. 리셋 트랜지스터(306)는, 플로팅 노드(304)가 VDD(314)로 리셋되도록 하고, 리셋 전압의 Vt 종속을 감소시키기 위해, 공핍 모드 트랜지스터로 구현된다. 집적시에, 포토다이오드(500)의 이미지 센싱 영역은 전달 트랜지스터(302)에 의해 플로팅 노드(304)로부터 분리되고, 플로팅 노드(304)는 리셋 트랜지스터(306)를 통해 VDD(314)로 리셋된다. 리셋 후에, 리셋 트랜지스터(306)는 플로팅 노드(304)를 분리시키도록 스위칭-오프되고, 픽셀(30)(기준 카운트)의 초기 플로팅 노드 전압이 판독된다. 집적화 주기의 완료 후에, 전달 트랜지스터(302)는 제어 신호 Tx 에 의해 토글링되는데, 이것은 수집된 전자를 포토다이오드(500)로부터 플로팅 노드(304)로 전달시킨다. 결국, 플로팅 노드(304)(미처리 데이터 카운트) 전압에서의 결과적인 변화가 판독된다. 트랜지스터(502)와 트랜지스터(504)는 함께 소스 폴로어(source follower)로 동작하고, 전류원(506)은 부하로 동작한다.Three separate control signals, Tx, Rx, and Sx, are required for proper pixel operation. These control signals are further described in Woodward Yang, el al, "An Integrated 800 X 600 CMOS Imaging System", ISSCC Dig.Tech, Paper, 1999, pp.304-305, which is incorporated herein by reference. The reset transistor 306 is implemented with a depletion mode transistor to cause the floating node 304 to reset to VDD 314 and to reduce the Vt dependency of the reset voltage. Upon integration, the image sensing region of the photodiode 500 is separated from the floating node 304 by the transfer transistor 302, and the floating node 304 is reset to the VDD 314 through the reset transistor 306. . After reset, reset transistor 306 is switched off to isolate floating node 304 and the initial floating node voltage of pixel 30 (reference count) is read. After completion of the integration cycle, the transfer transistor 302 is toggled by the control signal Tx, which transfers the collected electrons from the photodiode 500 to the floating node 304. As a result, the resulting change in the floating node 304 (raw data count) voltage is read. Transistor 502 and 504 operate together as source followers, and current source 506 acts as a load.

요약하면, 본 발명은 낮은 전기 및 인접 픽셀 간의 컬러 크로스토크 및 보다 높은 MTF로 특정되는 새로운 CMOS 이미지 센서 기술을 제공한다. 앞의 상세한 설명에서, 본 발명은 특정한 예시적인 실시예를 참조하여 설명되었다. 그러나, 첨부된 청구항에서 기술되는 바와 같이, 본 발명의 보다 넓은 사상 및 범위에서 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변경이 가능하다는 것은 명백한 사실이다. 따라서, 본 명세서 및 도면은 제한적 관점이라기 보다는 하나의 예시로서 간주되어야 한다. 이에 따라, 본 발명의 범위는 첨부한 청구항에 의해서만 제한되어야 한다.
In summary, the present invention provides a novel CMOS image sensor technology that is characterized by a low MTF and color crosstalk between adjacent pixels and higher MTF. In the foregoing detailed description, the invention has been described with reference to specific exemplary embodiments. However, as described in the appended claims, it will be apparent that various modifications and changes can be made without departing from the broader spirit and scope of the invention. Accordingly, the specification and drawings are to be regarded in an illustrative rather than a restrictive sense. Accordingly, the scope of the invention should be limited only by the appended claims.

상술한 바와 같이, 본 발명은 정사각형의 이미지 센싱 영역 및 반구형의 마이크로렌즈를 사용함으로써, 인접한 픽셀의 이미지 센싱 영역 간의 거리를 최적화 하여 인접 픽셀 간의 크로스토크를 감소시키고 MTF를 개선시킬 수 있다.As described above, according to the present invention, by using a square image sensing area and a hemispherical microlens, the distance between the image sensing areas of adjacent pixels can be optimized to reduce crosstalk between adjacent pixels and improve MTF.

Claims (10)

복수의 CMOS 픽셀을 포함하는 어레이에 있어서,An array comprising a plurality of CMOS pixels, 각 CMOS 픽셀은,Each CMOS pixel is 실질적으로 정사각형의 이미지 센싱 영역 - 여기서, 인접한 픽셀의 상기 이미지 센싱 영역 사이의 거리는 상기 인접한 픽셀 사이의 크로스토크를 감소시키도록 최적화되고, 상기 거리는 제1 축을 따라 적어도 3.8 마이크로미터이고, 제2 축을 따라 적어도 4 마이크로미터임 - ; 및Substantially square image sensing area, wherein the distance between the image sensing areas of adjacent pixels is optimized to reduce crosstalk between the adjacent pixels, the distance being at least 3.8 micrometers along a first axis, along the second axis At least 4 micrometers; And 각 픽셀의 상기 이미지 센싱 영역 위에 배치된 실질적으로 반구형의 마이크로렌즈를 포함하는A substantially hemispherical microlens disposed over said image sensing area of each pixel; 어레이.Array. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제1 축 및 상기 제2 축은 수직인The first axis and the second axis are perpendicular 어레이.Array. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 각 CMOS 픽셀의 측면은 약 8 마이크로미터인Each CMOS pixel is approximately 8 microns 어레이.Array. 삭제delete 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 거리는 또한 MTF를 개선하도록 최적화되는The distance is also optimized to improve the MTF 어레이.Array. CMOS 이미징 시스템에 사용하기 위한 복수의 픽셀을 갖는 개선된 CMOS 이미징 어레이에 있어서,An improved CMOS imaging array having a plurality of pixels for use in a CMOS imaging system, 각 픽셀은,Each pixel, 인접한 픽셀의 이미지 센싱 영역 사이의 거리를 증가시키도록 구성된 실질적으로 정사각형의 이미지 센싱 영역 - 여기서, 상기 거리는 제1 축을 따라 적어도 3.8 마이크로미터이고, 제2 축을 따라 적어도 4 마이크로미터임 - ; 및A substantially square image sensing region configured to increase the distance between image sensing regions of adjacent pixels, wherein the distance is at least 3.8 micrometers along the first axis and at least 4 micrometers along the second axis; And 상기 이미지 센싱 영역 위에 배치된 실질적으로 반구형의 마이크로렌즈를 포함하는A substantially hemispherical microlens disposed over the image sensing area; CMOS 이미징 어레이.CMOS imaging array. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 실질적으로 반구형의 마이크로렌즈의 위치는 유효 필 팩터(effective fill factor)를 증가시키도록 구성되는The position of the substantially hemispherical microlens is configured to increase the effective fill factor. CMOS 이미징 어레이.CMOS imaging array. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 각 픽셀은,Each pixel, a. 포토다이오드의 캐소드에 연결된 드레인, 제어 신호(Tx)에 의해 제어되는 게이트 및 플로팅 센싱 노드에 연결된 소스를 갖는 전달 트랜지스터;a. A transfer transistor having a drain connected to the cathode of the photodiode, a gate controlled by the control signal Tx, and a source connected to the floating sensing node; b. 리셋 전위에 연결된 드레인, 제어 신호(Rx)에 의해 제어되는 게이트 및 상기 플로팅 센싱 노드에 연결된 소스를 갖는 리셋 트랜지스터; 및b. A reset transistor having a drain connected to a reset potential, a gate controlled by a control signal Rx, and a source connected to the floating sensing node; And c. 단위 픽셀의 출력과 상기 플로팅 센싱 노드 사이에 연결된 소스 폴로어 - 여기서, 상기 소스 폴로어는 선택 신호에 의해 제어됨 - 를 더 포함하는c. A source follower coupled between the output of a unit pixel and the floating sensing node, wherein the source follower is controlled by a selection signal; CMOS 이미징 어레이.CMOS imaging array. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 전달 트랜지스터, 상기 리셋 트랜지스터 및 상기 소스 폴로어는 상기 픽셀의 적어도 두 측면을 따라 배치되는The transfer transistor, the reset transistor and the source follower are disposed along at least two sides of the pixel. CMOS 이미징 어레이.CMOS imaging array. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 리셋 트랜지스터는 공핍 모드 트랜지스터(depletion mode transistor)인The reset transistor is a depletion mode transistor. CMOS 이미징 어레이.CMOS imaging array.
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